基于智能IGBTS的分布式點(diǎn)火系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

近幾十年引擎和變速控制領(lǐng)域發(fā)展非常迅速，在高性能引擎中，不僅平穩(wěn)停機(jī)、低噪聲、低震動(dòng)很重要，而且降低燃料消耗和減少排放的要求也要滿足。

　　第一代電子控制模塊著重強(qiáng)調(diào)了功能的實(shí)現(xiàn)（噴射、點(diǎn)火、lambda控制等），但是現(xiàn)在的焦點(diǎn)集中在帶有更高級(jí)別集成度和復(fù)雜度的優(yōu)化成本的半導(dǎo)體劃分上。
　　這種集成的趨勢(shì)給點(diǎn)火系統(tǒng)帶來了很多革新。這篇文章從技術(shù)和市場(chǎng)的角度說明了英飛凌科技采用了片上芯片技術(shù)的智能點(diǎn)火IGBT是如何為進(jìn)一步的點(diǎn)火優(yōu)化提供一種全新的解決方案。
　　汽車點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展和演化
　　在很多汽車子系統(tǒng)里面，機(jī)械解決方案已經(jīng)完全被電子解決方案所取代。這篇文章將詳細(xì)的討論電子點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展（表1）。

表1，電子點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展

　　對(duì)于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，早期的基于晶體管的點(diǎn)火系統(tǒng)采用有兩個(gè)功率輸出級(jí)的雙點(diǎn)火線圈（這種情況在目前的低檔產(chǎn)品中仍有應(yīng)用）。在某些情況下這種系統(tǒng)是不夠的?，F(xiàn)代的帶有汽缸交迭和多值控制的內(nèi)燃機(jī)不允許在排氣沖程進(jìn)行點(diǎn)火。這種發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)汽缸都需要單獨(dú)的線圈 (插頭線圈)或

筆狀線圈來點(diǎn)火。
　　進(jìn)一步把功率開關(guān)合并到這個(gè)筆狀線圈或者插頭線圈上，這樣就產(chǎn)生了一種性能顯著提高的機(jī)械電子系統(tǒng)。把點(diǎn)火開關(guān)放到筆狀線圈上有下列的優(yōu)點(diǎn)：
　　1、去除了高電流控制線和高壓點(diǎn)火電纜可以降低點(diǎn)火過程中的電磁干擾；
　　2、去除高電壓點(diǎn)火電纜可以降低成本，提高可靠性；
　　3、去掉點(diǎn)火開關(guān)可以降低中央ECU的能量消耗。
　　這種分散式點(diǎn)火模型的驅(qū)動(dòng)和診斷可以由來自中央ECU的低電流驅(qū)動(dòng)器或收發(fā)器來提供。
　　同樣的點(diǎn)火線圈可以使用在任何數(shù)量的引擎汽缸上。當(dāng)使用智能的筆狀線圈或者插頭線圈時(shí)，汽車制造商就有可能制造出一種標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)火線圈，而且這種線圈對(duì)所有的引擎模型都是適用的。
　　分散式點(diǎn)火輸出級(jí)的需求
　　相對(duì)于ECU上的點(diǎn)火輸出級(jí)，分散式點(diǎn)火輸出級(jí)（直接在筆狀線圈或插頭線圈里面或上面）對(duì)于功率電子器件不但有不同的要求，而且在很多情況下這種要求更為苛刻（表2）。

表2，ECU上的輸出級(jí)和分散式輸出級(jí)的比較

　　機(jī)械電子式的點(diǎn)火模塊直接安裝在引擎上，所以很容易受周圍高達(dá)140℃的環(huán)境溫度（發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻劑維持著低于140℃的溫度）和很高的震動(dòng)力的影響。這就對(duì)點(diǎn)火模塊的使用壽命和可靠性提出了巨大的挑戰(zhàn)。另外，筆狀線圈或者插頭線圈經(jīng)常使用密封的結(jié)構(gòu)，這使得集成的功率開關(guān)的冷卻變得非常困難。對(duì)于這種應(yīng)用來說，必須保證在175℃的最高結(jié)合溫度下所有電子器件正常工作。
　　由于ECU和點(diǎn)火模塊的距離可能有幾米遠(yuǎn)，所以半導(dǎo)體和點(diǎn)火線圈的保護(hù)以及診斷就必須由點(diǎn)火模塊來提供。這就意味著在點(diǎn)火模塊中又增加了電路復(fù)雜度。為了簡(jiǎn)化電纜以及減少點(diǎn)火模塊接口的數(shù)量，多路復(fù)用管腳的使用就成了首選。但是，多路復(fù)用管腳又需要將更多的電子器件集成到點(diǎn)火開關(guān)中。所有的這些特點(diǎn)都需要更多的空間來實(shí)現(xiàn)，于是有限的安放空間就成為分散式點(diǎn)火輸出級(jí)的主要設(shè)計(jì)因素之一。用片上芯片技術(shù)生產(chǎn)的靈巧型IGBT就可能滿足對(duì)空間的嚴(yán)格要求。

表3，各種點(diǎn)火輸出級(jí)的比較


圖1，芯片疊加技術(shù)中的智能型IGBT